《导航定位技术概论》大作业

导航定位技术

（程青青 912110190104）

1. 引言

早在远古时代，人类便知道利用星历导航，然后又出现用鱼骨充当六分仪，确定航线，接着指南针的发明，标志着导航仪的诞生，再后来英国发明了航海表，人们综合利用星历知识、指南针、航海表进行导航。随着科技的发展，导航定位技术也逐渐成熟，出现了无线电导航、量子导航等，导航定位技术已经渗透到人类文明的各个角落里，发挥着它无可替代的作用。导航定位系统的目的简单来说就是“在哪里、到哪去、怎么去”这九个字，也就是以某种手段或方式引导航行体安全、准确、便捷、经济地在规定时间内按一定的路线到达目的地。导航过程中系统要实时连续的给出载体的位置、速度、加速度、航向等参数。导航定位技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学、数学等领域的高科技，现在不仅已经广泛应用于海、空、天等高科技武器和武器研究平台中，还以各种形式成为我们日常生活不可或缺的重要部分。

2.导航定位系统

2.1 导航定位系统的分类

根据原理的不同，可以将现有的导航定位系统分为地磁导航系统、声学导航系统、推位导航系统，惯性导航系统、无线电导航系统、卫星导航系统、天文导航系统七大类。

（1）、地磁导航系统

原理：通过地磁传感器测得的实时地磁数据与存储在计算机中的地磁基准图进行匹配来定位（由于地磁场为矢量场，所以在近地空间任意一点的地磁矢量都不同于其他的点，且与该点的经纬度是一一对应的）

优点：无源、无辐射、全天候、全地域、能耗低。

（2）、声学导航系统

由于电磁波在水中能量消耗太快，而声波能传播几百公里而几乎没有能量损失，因此可以采用声发射器作为信标在水中引导载体的航行。

分类：长基线导航（LBL）、短基线导航（SBL）、超短基线导航（USBL）

原理：事先在海域摆放换能器或者换能器阵，以此实现声学导航。换能器发出的脉冲被一个或者多个设置在母船上的声学传感器接收，收到的脉冲经过处理并按照预定的数学模型进行计算就可以得到声源的位置。

（3）推位导航

基本原理：起始时刻的位置已知，速度的大小和方向可以通过测量得到，则

下一时刻的位置可以通过计算得到。

θi n i i n d x x sin 100∑-=+=

θi

n i i n d y y cos 100∑-=+= 组成：平台罗经（测向）以及计程仪—水压、电磁、多普勒（测速）

（4）、惯性导航系统

定义：不依赖外界信息，只依靠本身惯性测量来完成导航任务的技术。 基本原理：根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速度计等惯性元件感受运行体在运动过程中的加速度，然后计算机通过积分运算算出运动体的位置和速度等参数；放在平台上的加速度计测量加速度，陀螺仪用来保持平台的方向，所以加速度计和陀螺仪是该系统的核心惯性

⎰+=t

adt 0

0v V

⎰+=t

Vdt S s 0

优点：依靠自身测量的加速度推算位置，自主式导航系统；

不需要接收外界信息，不受外界干扰；

不像外界辐射能量，隐蔽性好；

测量位置的同时还可以测量姿态角。

缺点：位置由加速度二次积分而得，误差随时间积累；

对元件精度要求高，相应的成本也高。

应用：为洲际导弹、战略远程轰炸机、导弹核潜艇提供技术支持。

（5）、无线电导航系统

基本原理：无线电导航的基本任务是测向和测速，在同一介质中，无线电沿直线传播，且速度为一个常数，无线电波具有反射性。这三个基本特性为无线电导航奠定了基础，利用直线传播可以确定载体的方向，利用传播速度不变可以测定速度的大小。

测量方法：测量方位法、测量距离法、测量距离差法

举例：a 、罗兰系统：低频脉冲双曲线导航系统，属于测距差双曲线导航系统，同时利用脉冲信号和载波相位来测量距离差进而求得双曲线位置实现定位。优点：低频工作，作用距离远；可粗测距离差，精测时间差，从而提高测量精度；可消除天波干扰，抑制其他干扰，且可以区分主副号和实现自动化测量。

b 、奥米伽系统：利用信号的相位信息来测量距离，工作在甚低频段，所以传播距离很远，仅用8个发射台就可以覆盖全球，在长距离航行中能够自动连续的提供载体的当前位置和各种导航数据

优点：工作连续，覆盖范围广，穿透能力强，传播衰减小，作用距离远；可深入水下进行水下测量。

缺点：受环境影响较大，地表条件、气象状况、地理环境会造成低频信号的异常；精度不高；设备昂贵；数据更新慢。现已停用。

（6）、卫星导航系统

基本原理：利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某种特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统，广泛应用于车辆导航管理以及对航天器的导航定位管理。

系统组成：a、空间部分(卫星)发送某种时间信号、测距信号和卫星的瞬间坐标位置信号；

b、地面控制部分：精确测量卫星的轨道坐标，时钟差异，确定系统运行状态，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的卫星轨道纠正；

c、用户部分：接受卫星广播发送的多种信号并进行处理计算确定用户的最终位置。

举例：a GPS全球定位系统：（美国）24颗中高度圆轨道卫星组网；

ｂGLONASS全球定位系统：（俄罗斯）共有26颗卫星在轨，20颗进行工作中，2颗备用，4颗技术维修中；

ｃ伽利略全球定位系统：（欧盟）共有30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备用星，卫星分布在三个中地球轨道上，每个轨道上分布9颗工作星和一个备份星；

ｄ北斗卫星导航定位系统：（中国）由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，其中30颗非静止轨道卫星由27颗中轨卫星和三颗倾斜同步卫星组成。

优点：能够全天候的实时提供载体的三维位置和速度信息，且误差不随时间积累，是高精度导航和定位系统

缺点：容易被干扰，不能提供连续定位信息，同时不能提供姿态信息。

（７）天文导航系统

基本原理：天文导航系统是根据天上星座的运行规律来对地面上的目标进行定位，通过观测星体相对地球的位置参数（例如仰角）以及观测时间，就可以确定观测者在地球上的位置，从而引导运动体航行。

测量方法：天文船位圆法：每测量一个天体的高度和顶距时，必位于以该天体投影点为圆心，以Ｒ为半径的等高圆上因此就得到一部分与自身地理位置有关的信息，继续观测第二个天体，得到另一个等高圆，这两个等高圆相较于两点，其中一点就是观测点，为了测量船位，侧者在同一地点至少要观测两个天体，便可得到两个天文船位圆，它们相交于两点。由于天文船位圆的半径很大，这两个交点相距很远，因此推算船位的一个交点就是测者的观测船位，这就是天文船位